Le zéro absolu et le degré Kelvin

Le zéro absolu

s Nous allons commencer par une série de petites devinettes. Essaye de deviner quelle est la température en degré Celsius des choses suivantes :

  1. La flamme d'une bougie ?
  2. Le centre de la terre ?
  3. Le centre du soleil ?

Réponses: (1) 1200°C, (2) 5000°C, (3) 15 millions°C

s Et bien ! Je n'aimerais pas y mettre la main. Quelle chaleur ! Est-il possible d'avoir des températures plus chaudes que le soleil ?

s Il n'y a pas vraiment de limites et on peut même obtenir des températures plus chaudes encore dans certains laboratoires. Par contre, pour le froid, il existe une limite, c'est-à-dire une température minimale. On l'appelle le zéro absolu.

s Et moi qui pensais que c'était moi, le zéro absolu en science physique. Mais pourquoi donc, existe-t-il une limite pour le froid et pas pour la chaleur ?

s Le zéro absolu correspond à l'absence complète de chaleur, de la même façon que le noir absolu correspond à l'absence complète de lumière.

s Mais quelle est donc la valeur de ce zéro absolu ? -100°C ? -1.000°C ? -1.000.000°C ?

L'expérience

s C'est justement le but de notre expérience que de pouvoir trouver la valeur du zéro absolu, ou plutôt en faire l'estimation.

s Qu'est-ce que c'est que cette marmite ? Tu vas faire de la cuisine ?

s Cette marmite est fermée hermétiquement et elle contient juste de l'air. Il y a deux appareils de mesure : un thermomètre et un manomètre.

s Un manomètre ? C'est la première fois que je vais en utiliser un ! Cela sert à quoi ?

s Le manomètre sert à mesurer la pression dans la marmite. Nous l'étudierons une prochaine fois à l'occasion d'une autre expérience. Pour le moment, nous allons seulement nous en servir. Au début de l'expérience la température dans la marmite est de 20°C et la pression est celle de l'atmosphère : 1 atmosphère.

s Si je clique sur le bouton On/Off pour allumer le brûleur, je peux observer que la température et la pression montent dans la marmite. Est-ce qu'il y a un risque d'explosion ?

s Non, rassure-toi. Le brûleur s'éteint automatiquement quand la marmite est trop chaude. A ce moment, il faudra très rapidement faire le relevé de la température et de la pression. Tu devras les inscrire dans les deux cases T (°C) et P (Atm).

s Si je rentre des valeurs réalistes, je peux voir apparaître dans le repère, une droite sous forme de flèches rouges. Comment puis-je l'utiliser pour connaître le zéro absolu ?

s Au zéro absolu, le gaz de la marmite n'a plus aucune pression. Il faut donc extrapoler la droite jusqu'à la pression 0.

s Extrapoler ? Tu peux traduire ?

s L'animation le fait automatiquement pour toi : elle prolonge la droite jusqu'à l'origine. Sur le graphique, le zéro absolu c'est la température à une pression de zéro. Je te laisse chercher un peu avant de passer au paragraphe suivant qui te donnera la solution.

Le degré Kelvin

s J'ai trouvé ! Mais ce n'est pas facile d'avoir un résultat précis.

s Bravo ! Si tu as correctement fait la manipulation, tu dois avoir trouvé que le zéro absolu est compris entre -250°C et -300°C. Je peux te donner le résultat exact qui est -273,15°C.

s Brr ! Quel froid ! Dans quelle région peut-on trouver un froid pareil ? Au pôle sud ?

s Il est impossible de trouver cette température sur la terre en dehors de certains laboratoires de recherche. C'est la température de l'espace inter-galactique.

s L'homme qui a découvert le zéro absolu est Lord Kelvin. Il a pu créer une nouvelle échelle de température qui porte son nom. En voici un tableau de correspondance :

-273,15°C0,00°C100°C1000°C
0,00 °K273,15°K373°K1273°K